WO2010130061A1 - Equipo para agitación de electrolito en celdas de producción electrolítica - Google Patents

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Pedro A. AYLWIN GÓMEZ
Manuel Bernardo MARTÍNEZ GONZÁLEZ
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/06—Operating or servicing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/40—Mixers using gas or liquid agitation, e.g. with air supply tubes
    • B01F33/405—Mixers using gas or liquid agitation, e.g. with air supply tubes in receptacles having guiding conduits therein, e.g. for feeding the gas to the bottom of the receptacle

Definitions

  • the deposition of metals by electrolysis from solutions is normally carried out in masonry cells, coated with insulating materials, resistant to acids or alkalis and to temperature, in which the electrolyte is normally fed by one end of the cell, while The spent electrolyte is discharged from the opposite lower end, if the supply has been from the upper edge or vice versa.
  • the transverse circulation of the electrolyte has been used, that is to say parallel to the faces of anodes and cathodes, by means of the introduction of perforated pipes, in which the feeding is carried out by means of a perforated longitudinal pipe, located at the bottom next to the cell, while the discharge is carried out by overflow, or through another perforated pipe, located on the opposite upper side of the cell.
  • air is usually injected to stir the electrolyte and to uniform the concentration of the latter, which helps to avoid the crystallization of the electrolyte and diminish the effect of the boundary layer.
  • This is done by introducing perforated tubes through which air or neutral gases are injected, which requires Ia provision of fans, air supply ducts and perforated distribution pipes.
  • removable insulating structures are used, as indicated in the Chilean patent application No. 0 1020-04, in which they are mounted anodes, cathodes, electrolyte circulation pipes and air distribution pipes, all of which can be removed from the cell at the end of the production cycle, for maintenance, drastically reducing production losses for that reason.
  • Figure 1 shows a perspective view of the supporting structure of insulating material, which can be introduced and removed from the cell, in which the vertical and horizontal guides in which the anodes and cathodes are mounted, and They fix the pipe circuits for the distribution of the electrolyte and of the electrical conductors for the generation of the agitation gases of the electrolyte.
  • Figure 2 shows a perspective view of the support structure of insulating material, in which the set of electrical conductors mounted in the structure is appreciated.
  • Figure 3 shows a perspective view of the electrical conductors, mounted on the lower crosspieces of the support structure of insulating material.
  • Figure 4 shows a perspective view of the electricity supply conductor, connected to three circuits of electric conductors, producers of bubbling gas.
  • Figure 4A shows a perspective view of the electricity supply conductor, connected to three circuits of electric conductors, producers of bubbling gas, in which the supports for mounting and fixing to the supporting structure of insulating material are shown.
  • Figure 4B shows a perspective view of the electricity supply conductor, connected to three circuits of electric conductors, producers of bubbling gas, in which isolated and non-isolated sectors of said conductors are shown.
  • Figure 5 shows a perspective view of the electricity supply conductor, connected to two circuits of electric conductors, producers of bubbling gas.
  • Figure 6 shows a perspective view of the electricity supply conductor, connected to a circuit of electric conductors, producing bubbling gas.
  • Figure 7 shows a perspective view of the electricity supply conductor for the circuits of the bubbling gas producing electrical conductors.
  • the present invention consists in the fixation of one or more electricity supply circuits to one or more circuits of electrical conductors without insulation, or with located isolation sections, which are located in the lower zone of the electrolytic production cell, or at a support structure of anodes and cathodes of insulating material, independent of the production cell, which can be removed and installed in it, with or without the anodes and cathodes already placed in the guides of the support structure.
  • a circuit of insulated power supply conductors (8) has been fixed, on the outside and next to a support structure of anodes and cathodes, constructed in electrically insulating material, in which a plurality of anodes and cathodes are located, while below the lower frame (7) of the support structure, one or more circuits of electrical conductors have been fixed by means of supports (15) without insulation, or with localized insulation sections (16), which are connected to the power supply (8), through connectors (12, 13 and 14) to uninsulated conductor circuits or with localized insulation sections (9 , 10 and 11).
  • the isolated electricity supply conductor (s) are fixed to the vertical walls of the cell, while the electrical circuit (s) without insulation, or with sections of localized insulation, they are fixed directly to the floor of the cell.
  • the non-insulated electrical conductor circuit (s), or with localized insulation sections, can be constructed of either solid single-wire or multifilar wire, of metal coated with a mixture of metal oxides. (Known in English as MMO, short for "Mixed metal oxide”).
  • the control of the amount of bubbles can be done by modifying the voltage or current applied between cathodes and the circuits (9, 10 and 11) of conductors without insulation or with localized insulation sections (16).
  • a support structure of insulating material constructed of fiberglass reinforced plastic, with anode guides and cathodes of insulating material, loaded with 61 insoluble anodes 1200 millimeters high by 800 millimeters wide, with ears supporting Ia conductive bar, and 60 stainless steel cathodes 1140 millimeters high and 880 millimeters wide, spaced at 95 millimeters between centers.
  • the pipe is connected for the circulation of electrolyte to the connection (1), and the electrical energy is connected to start the production operation.
  • the electrical conductors without insulation or with the conductor with localized insulation sections are made of titanium coated with a mixture of metal oxides of 3 millimeters in diameter.
  • the electrolyte is circulated at a flow of between 10 and 30 cubic meters per hour and the electrical energy is fed at a potential of 1, 7 to 2 volts between the circuits of uninsulated conductors or with conductors with located insulation sections (9 , 10 and 11) with respect to the potential of the cathodes. This potential difference produces the release of oxygen in the surface of the conductors without insulation or in the localized insulation conductors (16).
  • the electrolyte is stirred, improving the uniformity of its concentration, decreasing the boundary layer and thereby improving the quality and current efficiency of the deposition of the metal.
  • the maintenance time is reduced, in relation to the maintenance of the fans and air supply and distribution pipes.
  • the chemical and physical quality of the cathodes is improved, their dimensional uniformity and therefore, the dispersion of their weight decreases and the energy efficiency is improved.

Abstract

Los actuales sistemas de agitación de electrolito en las celdas de producción de metales por electrólisis, consisten en introducir a las celdas de producción, aire o gases neutros comprimidos a baja presión en ventiladores, y distribuirlos en la celda mediante tubos perforados para agitar el electrolito, tubos que están adosados fijamente a la estructura de la celda, o a una estructura soportante de material aislante, en el caso de las celdas de nuevo diseño. Con el uso, la cristalización de sales disueltas en electrolito, el depósito de sólidos y de barro anódico va obstruyendo las perforaciones de los tubos, limitando la circulación del aire de agitación de electrolito. Durante la operación de la celda se producen averías o fallas en los ventiladores, ductos de distribución y tubos perforados de este sistema por diversos motivos, cuya reparación o limpieza implica perder tiempo de producción. La generación de gases in situ por electrólisis, mediante la energización eléctrica de uno o mas circuitos de conductores ubicados por debajo de los ánodos y cátodos, y montados en las celdas tradicionales o en una estructura de soporte independiente, en la que se instalan los ánodos y cátodos, permite la agitación del electrolito y la disminución del efecto negativo de la capa límite, en forma simple y sin las complicaciones de los sistemas de inyección de aire. Con esto, se mejora además la calidad del depósito catódico, se mejora la distribución del peso de los cátodos y se mejora la eficiencia energética. También se disminuye el tiempo de producción perdido durante la limpieza y las reparaciones del sistema de inyección de aire, ya que estos trabajos son más simples de realizar cuando se reemplaza los ventiladores y las cañerías perforadas por conductores eléctricos.

Description

EQUIPO PARA AGITACIÓN DE ELECTROLITO EN CELDAS DE PRODUCCIÓN ELECTROLÍTICA
DESCRIPCIÓN DE LO CONOCIDO EN LA MATERIA
El depósito de metales por electrólisis desde soluciones, se realiza normalmente en celdas de albañilería, revestidas de materiales aislantes, resistentes a los ácidos o álcalis y a Ia temperatura, en las que el electrolito se alimenta normalmente por un extremo de la celda, en tanto que el electrolito gastado se descarga por el extremo inferior opuesto, si Ia alimentación ha sido por el borde superior o viceversa. -
En ocasiones se ha empleado Ia circulación transversal del electrolito, es decir paralela a las caras de ánodos y cátodos, mediante Ia introducción de tuberías perforadas, en que Ia alimentación se realiza mediante una tubería longitudinal perforada, ubicada en el fondo a un costado de Ia celda, en tanto que Ia descarga se realiza por rebalse, o a través de otra tubería perforada, ubicada en el costado superior opuesto de Ia celda.
En ambas situaciones, Ia posición de las tuberías una vez ubicadas permanecen inalterables, ya que éstas pasan a formar parte de Ia estructura de Ia celda.
A fin de mejorar Ia eficiencia de corriente suele inyectarse aire para agitar el electrolito y uniformar Ia concentración de éste, Io que ayuda a evitar Ia cristalización del electrolito y a disminuir el efecto de Ia capa límite. Esto se realiza introduciendo tubos perforados por los que se inyecta aire o gases neutros, Io que requiere Ia dotación de ventiladores, ductos de alimentación de aire y las tuberías perforadas de distribución. El hecho de tener tuberías con aire sumergidas en el electrolito, hace que estas tiendan a flotar, Io cual hace que los sistemas de fijación de éstas a Ia celda sean complejos.
Durante Ia operación normal, Ia cristalización de sales disueltas en el electrolito, Ia caída de plomo por desgaste de los ánodos que Io contienen, así como de otros sólidos, hacen que se acumule borra en el fondo de Ia celda, Ia que también se deposita en las tuberías perforadas de distribución de aire, obstruyendo el flujo. Esto obliga a detener Ia operación para realizar Ia limpieza de los tubos, Io que implica perder tiempo de producción.
Otros motivos para realizar Ia mantención a los distribuidores de aire, se origina por Ia rotura física de las tuberías, ya sea por falla de materiales o por golpes.
Recientemente, para mejorar Ia eficiencia y entre otras cosas, evitar las pérdidas de producción debido a Ia mantención de las celdas, se utiliza estructuras aislantes removibles, como Ia señalada en Ia solicitud chilena de patente N0 1020-04, en Ia que se montan los ánodos, cátodos, cañerías de circulación de electrolito y tuberías de distribución de aire, todo Io cual puede retirarse de Ia celda al final del ciclo de producción, para realizar su mantención, disminuyendo drásticamente las pérdidas de producción por dicho motivo. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 muestra una vista en perspectiva, de Ia estructura soportante de material aislante, Ia que se puede introducir y retirar de Ia celda, en Ia cual se aprecian las guías verticales y horizontales en las cuales se montan los ánodos y cátodos, y se fijan los circuitos de tubería para Ia distribución del electrolito y de los conductores eléctricos para Ia generación de los gases de agitación del electrolito. La Figura 2 muestra una vista en perspectiva, de Ia estructura de soporte de material aislante, en Ia cual se aprecia el conjunto de conductores eléctricos montados en Ia estructura.
La Figura 3 muestra una vista en perspectiva de los conductores eléctricos, montados en los travesanos inferiores de Ia estructura de soporte de material aislante.
La Figura 4 muestra una vista en perspectiva, del conductor de alimentación de electricidad, conectado a tres circuitos de conductores eléctricos, productores de gas de burbujeo.
La Figura 4A muestra una vista en perspectiva, del conductor de alimentación de electricidad, conectado a tres circuitos de conductores eléctricos, productores de gas de burbujeo, en Ia que se muestran los soportes para su montaje y fijación a Ia estructura soportante de material aislante.
La Figura 4B muestra una vista en perspectiva, del conductor de alimentación de electricidad, conectado a tres circuitos de conductores eléctricos, productores de gas de burbujeo, en Ia que se muestran sectores aislados y no aislados de dichos conductores. La Figura 5 muestra una vista en perspectiva del conductor de alimentación de electricidad, conectado a dos circuitos de conductores eléctricos, productores de gas de burbujeo.
La Figura 6 muestra una vista en perspectiva del conductor de alimentación de electricidad, conectado a un circuito de conductores eléctricos, productor de gas de burbujeo.
La Figura 7 muestra una vista en perspectiva, del conductor de alimentación de electricidad, para los circuitos de los conductores eléctricos productores de gas de burbujeo.
Los números indicados en las figuras tienen el siguiente significado:
1. Conexión para Ia alimentación de electrolito fresco.
2. Extremo superior de Ia guía vertical de ánodos y cátodos. 3. Soporte de sujeción, para conexión a Ia grúa con Ia que se instala o se retira de Ia Celda electrolítica, Ia estructura soportante de material aislante.
4. Guía inferior, para fijar Ia posición del borde inferior del ánodo.
5. Guía inferior, para fijar Ia posición del borde inferior del cátodo.
6. Bastidor superior de Ia estructura de soporte de material aislante. 7. Bastidor inferior de Ia estructura de soporte de material aislante.
8. Conductor aislado para alimentación de electricidad a los circuitos productores de gases por electrólisis.
9. Circuito anterior de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo. 10. Circuito intermedio de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo.
11. Circuito posterior de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo. 12. Conector eléctrico de alimentación al circuito anterior de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo.
13. Conector eléctrico de alimentación al circuito intermedio de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo.
14. Conector eléctrico de alimentación al circuito posterior de conductores eléctricos sin aislación, para Ia producción de gas de burbujeo.
15. Soporte de fijación al bastidor de Ia estructura soportante de material aislante.
16. Sección aislada del conductor eléctrico productor de gas de burbujeo.
17. Sección no aislada del conductor eléctrico productor de gas de burbujeo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención consiste en Ia fijación de uno o más circuitos alimentadores de electricidad a uno o más circuitos de conductores eléctricos sin aislamiento, o con secciones de aislamiento localizados, los que se ubican en Ia zona inferior de Ia celda de producción electrolítica, o a una estructura de soporte de ánodos y cátodos de material aislante, independiente de Ia celda de producción, Ia que se puede retirar e instalar en ella, con o sin los ánodos y cátodos ya colocados en las guías de Ia estructura de soporte. En una de sus realizaciones, y sin que esto signifique limitar Ia generalidad de Ia invención, se ha fijado un circuito de conductores aislados de alimentación de electricidad (8), por el exterior y a un costado de una estructura de soporte de ánodos y cátodos, construida en material eléctricamente aislante, en cuyo interior se ubica una pluralidad de ánodos y cátodos, en tanto que por debajo del bastidor inferior (7) de Ia estructura de soporte, se ha fijado mediante soportes (15) uno o mas circuitos de conductores eléctricos sin aislación, o con secciones de aislamiento localizados (16), que se unen al alimentador de electricidad (8), mediante los conectores (12, 13 y 14) a ¡os circuitos de conductores sin aislación o con secciones de aislamiento localizado(9, 10 y 11 ).
En otra de sus realizaciones, en una celda tradicional de producción electrolítica de metales, el o los conductores aislados de alimentación de electricidad, se fijan a las paredes verticales de Ia celda, en tanto que el o los circuitos eléctricos sin aislación, o con secciones de aislamiento localizado, se fijan directamente al piso de Ia celda.
El o los circuitos de conductores de electricidad sin aislación, o con secciones de aislamiento localizado, pueden construirse ya sea de alambre sólido unifilar o de cable multifilar, de metal recubierto con una mezcla de óxidos metálicos. (Conocidos en idioma inglés como MMO, abreviatura de "Mixed metal oxide").
La aplicación de un potencial eléctrico entre cátodos y los circuitos de conductores sin aislación o con secciones de aislamiento localizado (9, 10 y 11), de tal manera que estos circuitos queden a un potencial positivo respecto a los cátodos, hace que se produzca Ia electrólisis del agua del electrolito, generándose oxigeno en Ia periferia de los conductores sin aislación, o con secciones de aislamiento, el que se desprende en Ia forma de pequeñísimas burbujas, las que ascienden entre ánodos y cátodos, o solo por debajo de los cátodos en el caso de emplearse conductores con secciones de aislamiento localizado debajo de los ánodos, produciendo una agitación mas global o mas localizada del electrolito respectivamente.
El control de Ia cantidad de burbujas, puede hacerse modificando el voltaje o Ia corriente aplicada entre cátodos y los circuitos (9, 10 y 11) de conductores sin aislamiento o con secciones de aislamiento localizados (16).
Se hace evidente, que Ia limpieza de los conductores aislados de alimentación, así como Ia de los conductores sin aislación, o con secciones de aislamiento localizados (16), de ser necesaria, se puede realizar de manera simple, al término del ciclo de producción, disminuyendo por este concepto las pérdidas de tiempo de producción.
EJEMPLO DE APLICACIÓN
A modo de ejemplo, y sin que esto limite Ia generalidad de Ia Invención, en una celda tradicional de electrodepósito de cobre, de seis metros y medio de largo por 1,2 metros de ancho y 1,5 metros de profundidad, se introducirá una estructura de soporte de material aislante, construida en plástico reforzado con fibra de vidrio, con guías de ánodos y cátodos de material aislante, cargada con 61 ánodos insolubles de 1200 milímetros de alto por 800 milímetros de ancho, con orejas de apoyo a Ia barra conductora, y 60 cátodos de acero inoxidable de 1140 milímetros de alto y 880 milímetros de ancho, espaciados a 95 milímetros entre centros.
Una vez introducida Ia estructura soportante de material aislante en Ia celda, con los ánodos y cátodos montados; con el conductor aislado para alimentación de electricidad (8) y los circuitos de conductores sin aislación o con los conductores con secciones de aislamiento localizados (9,10 y 1 1), fijados al bastidor inferior de Ia estructura soportante, mediante los respectivos soportes (15), se conecta Ia cañería para Ia circulación de electrolito a Ia conexión (1), y se conecta Ia energía eléctrica para dar inicio a Ia operación de producción.
Los conductores eléctricos sin aislación o con el conductor con secciones de aislamiento localizado, están hechos de titanio recubierto con mezcla de óxidos metálicos de 3 milímetros de diámetro.
El electrolito se hace circular a un flujo de entre 10 y 30 metros cúbicos por hora y se alimenta Ia energía eléctrica a un potencial de 1 ,7 a 2 volts entre los circuitos de conductores sin aislación o con conductores con secciones de aislamiento localizados (9, 10 y 11 ) con respecto al potencial de los cátodos. Esta diferencia de potencial produce Ia liberación de oxígeno en Ia superficie de los conductores sin aislación o en los conductores de aislamiento localizado (16).
La ascensión del gas desde debajo de los ánodos y cátodos, o solo por debajo de los cátodos para los conductores con secciones de aislamiento localizados debajo de los ánodos, agita el electrolito, mejorando Ia uniformidad de su concentración, disminuyendo Ia capa límite y con ello mejorando Ia calidad y Ia eficiencia de corriente de Ia depositación del metal.
Cuando el depósito a cada lado del cátodo alcance unos tres milímetros, se procederá a detener Ia operación, retirar los cátodos, cargar cátodos limpios y reiniciar Ia operación.
Estos ciclos se repetirán hasta que se deba efectuar el desborre del fondo de Ia celda, ocasión en que se procederá a retirar Ia estructura de soporte de ánodos y cátodos completa, para ser reemplazada por otra equivalente, preparada previamente, reiniciándose un nuevo ciclo de producción.
Con este procedimiento, se reemplaza los ventiladores y los circuitos de alimentación y de distribución de aire de agitación, solo por los conductores eléctricos, ya que Ia energía eléctrica para energizar los circuitos de conductores sin aislación o conductores con secciones de aislamiento localizada, puede obtenerse de Ia misma fuente que se utiliza para Ia producción de metal.
El tiempo de Ia mantención se reduce, en relación a Ia mantención de los ventiladores y cañerías de alimentación y distribución de aire. Al mismo tiempo se mejora Ia calidad química y física de los cátodos, su uniformidad dimensional y por Io tanto, disminuye Ia dispersión de peso de ellos y se mejora Ia eficiencia de energía.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Equipo para agitación de electrolito en Celdas de producción electrolítica de metales tradicionales, o que utilizan estructuras soportantes removibles de ánodos y cátodos, CARACTERIZADO por tener uno o mas conductores aislados para alimentación de electricidad, fijados a un costado de Ia celda o de una estructura soportante removible de ánodos y cátodos, y conectado a uno o más circuitos de conductores eléctricos sin aislación o con secciones de aislamiento localizadas, ubicados por debajo de los ánodos y cátodos de Ia celda y fijados a Ia estructura removible soportante de ánodos y cátodos, o al piso de Ia Celda tradicional de producción electrolítica de metales.
2. Equipo para agitación de electrolito en Celdas de producción electrolítica de metales tradicionales, o que utilizan estructuras soportantes removibles de ánodos y cátodos, según Ia reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los conductores eléctricos sin aislamiento o con secciones de aislamiento localizado, están fabricados de titanio u otro metal similar, recubierto con óxidos metálicos mezclados.
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